芯片(IC)及系統級保護功能

對于設計師而言，在新產(chǎn)品發(fā)布到之前，預測其現場(chǎng)可靠性是非常困難的。但一旦發(fā)生未預期的嚴重現場(chǎng)故障，則說(shuō)明設計師的設計是失敗的。然而，即使沒(méi)有發(fā)生任何現場(chǎng)故障，仍需要回答以下問(wèn)題：設計師是否對產(chǎn)品進(jìn)行了余量設計？這需要采取一種有效的方法，以避免內建的產(chǎn)品可靠性所承擔的成本代價(jià)，從而消除設計中不必要的猜測工作。

在可靠性方面，最關(guān)鍵的系統元件通常是電源。電源故障往往會(huì )導致系統關(guān)閉，但它所造成的不良后果遠不止這一點(diǎn)。如果電源故障還造成負載損壞的話(huà)，那么故障的成本將遠高于電源本身的成本。由于電源直接連接交流市電，而市電是設計師無(wú)法控制的高能系統，因此電源非常容易受損。市電有時(shí)會(huì )遭遇功率突增，發(fā)生危險的高壓尖峰和瞬變。負載自身會(huì )產(chǎn)生故障，造成過(guò)載或短路情況。散熱風(fēng)扇會(huì )發(fā)生阻塞或被遮擋，導致整個(gè)系統溫度過(guò)高。

電源設計工程師必須實(shí)現性能規格及成本目標，同時(shí)確保耐用性和可靠性。在面臨元件容差、生產(chǎn)變量以及須待解決的諸多危險因素時(shí)，實(shí)現上述目標可是件極其艱巨的任務(wù)。不過(guò)，隨著(zhù)電源控制IC技術(shù)的不斷提升，設計工程師的壓力可以得到大大緩解。下面的設計范例可以充分說(shuō)明這一點(diǎn)，這款反激式轉換器使用Power Integrations的TOPSwitch-HX控制器/功率IC設計而成。

TOPSwitch-HX將一個(gè)700V的功率MOSFET、高壓開(kāi)關(guān)啟動(dòng)電流源、多模式PWM控制器、振蕩器、熱關(guān)斷保護電路、故障保護電路及其他控制電路集成在一個(gè)單片器件內，使設計師可以設計出功能完備的電源，并且只需極少的外圍元件。

圖1所示為一款完整的開(kāi)關(guān)電源，適用于打印機和采用電機或傳動(dòng)器的輕工業(yè)應用。該電源可以提供恒定的30W(42V)電流，峰值負載為84W，并且無(wú)須外部散熱片。該電路的峰值負載能力可以使合適尺寸（用以支持連續負載）的元件提供電機啟動(dòng)時(shí)所需的高電流。該設計具有顯著(zhù)的尺寸、成本和重量?jì)?yōu)勢，并且絲毫不會(huì )降低可靠性。

圖1 通用輸入、30W連續輸出、84W峰值功率的噴墨打印機電源

TOPSwitch-HX (U1)集成了用戶(hù)自定義保護功能，可在輸入欠壓、過(guò)壓及輸出過(guò)載條件下避免電源及負載受損。熱關(guān)斷功能具有自動(dòng)恢復特性，自動(dòng)重啟動(dòng)功能可防止輸出短路和反饋開(kāi)環(huán)。這些保護功能的實(shí)現方式將在下面介紹。

輸入保護
欠壓和過(guò)壓保護功能的控制是通過(guò)電壓監測(V)輸入提供的。輸入欠壓保護可防止通電及斷電時(shí)輸出的不良波動(dòng)，輸入過(guò)壓保護可確保系統能耐受高達700V的輸入浪涌電壓而不會(huì )造成任何損壞。R2通過(guò)由V輸入控制的鎖存關(guān)斷功能來(lái)提供輸入欠壓及過(guò)壓保護。如果經(jīng)整流后的直流高壓的電壓值低于欠壓閾值，U1的開(kāi)關(guān)將被禁止并保持關(guān)斷，直至達到指定的工作電壓。同樣，如果電壓值超過(guò)輸入過(guò)壓閾值，U1將立即停止開(kāi)關(guān)。當MOSFET關(guān)斷時(shí)，由于沒(méi)有反射電壓和漏感尖峰電壓疊加到漏極，經(jīng)整流的直流高壓抗浪涌沖擊能力將提高100～200V，達到內部700V MOSFET的額定電壓值。

設計師經(jīng)常擔心的電路元件是功率MOSFET。與市場(chǎng)上其他許多額定值為600V的MOSFET相比，U1中集成功率MOSFET的700V源極可提供額外的裕量。U1采用限流點(diǎn)降低及輸入電壓升高來(lái)限制過(guò)載期間的漏電能量。這樣可使由R3、R4、C4及D5組成的簡(jiǎn)單緩沖吸收電路對功率MOSFET提供全面保護。此外，U1中所集成的快速輸入過(guò)壓抑制電路，可在檢測到輸入電壓瞬變時(shí)禁止開(kāi)關(guān)。由于能夠對輸入差模浪涌提供上述雙重保護，因此可以省去常用于提供輸入保護的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)，同時(shí)不會(huì )降低電源可靠性。

輸出保護
為確保負載的安全性，應提供輸出過(guò)壓保護。如果電源反饋環(huán)路中的元件發(fā)生故障（如光耦器），則可能會(huì )產(chǎn)生危險的高輸出電壓。TOPSwitch-HX中包含集成的輸出過(guò)壓及過(guò)功率保護電路。一旦因輸出過(guò)載或開(kāi)環(huán)故障導致C6上的偏置繞組輸出電壓升高，VR1將導通并使電流流入V引腳，從而觸發(fā)鎖存關(guān)斷。為了防止因短時(shí)間過(guò)載而引起錯誤觸發(fā)，可在VR1與C6之間實(shí)施簡(jiǎn)單的RC延遲電路。

輸出過(guò)載保護是一項必備功能，特別是在驅動(dòng)電機的應用中。在輸出過(guò)載故障條件下（如電機停轉），控制器不得提供這種可損壞負載的電流，或者不得損壞電源內的元件。在U1中，這種保護是通過(guò)控制功率因數(I2f)和通過(guò)利用X引腳輸入控制限流點(diǎn)來(lái)實(shí)現的。在反激式轉換器中，輸出功率是LI2f的函數，其中，L是初級電感值，I是峰值初級電流，f是開(kāi)關(guān)頻率。將I2f合并到單個(gè)數據手冊參數中后，與I和f為獨立變量時(shí)的設計值相比，給定輸出功率所需的電感值將減小。這樣會(huì )減小在最低輸入電壓的最差條件下提供滿(mǎn)功率所需的初級電感值。X引腳允許在外部設定器件限流點(diǎn)，還可以使用兩個(gè)電阻對X引腳進(jìn)行配置，以降低限流點(diǎn)并提高輸入電壓。這樣可以拉平將會(huì )出現的過(guò)載功率隨輸入電壓變化的曲線(xiàn)。

過(guò)熱保護
U1中的過(guò)熱保護由精密的模擬電路提供，當結溫超過(guò)熱關(guān)斷溫度（典型值142℃）時(shí)，該電路就關(guān)斷輸出MOSFET；當結溫冷卻到遲滯溫度以下時(shí)，該電路將重新恢復正常工作。采用75℃（典型值）的遲滯可防止因持續故障而使PC板出現過(guò)熱現象。通過(guò)將U1設計為溫度最高的元件，這種內部過(guò)熱關(guān)斷功能還可以對整個(gè)電源提供過(guò)熱保護。

使用分立元件來(lái)實(shí)現上述多種保護功能的內建是件非常困難且費用昂貴的事情，特別是在解決與器件容差相關(guān)的問(wèn)題時(shí)。對于低成本或空間受限的應用而言，這些困難又會(huì )使保護功能齊備的電路的尺寸和成本成為實(shí)現設計的嚴重障礙。而開(kāi)關(guān)IC（如TOPSwitch-HX）內所集成的保護功能，可以使設計師集中精力設計具有成本優(yōu)勢的高性能產(chǎn)品，并有信心確保其完全可靠。